徐鵬飛,郝　斌,郭鳴霄

(蘭州交通大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院,甘肅 蘭州　730070)

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Two-way中繼系統(tǒng)的中繼選擇算法分析

徐鵬飛,郝斌,郭鳴霄

(蘭州交通大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院,甘肅 蘭州730070)

摘要為了提升雙向AF中繼系統(tǒng)總速率和降低系統(tǒng)中斷概率,提出了一種最小中斷概率的中繼算法MOP,介紹了現(xiàn)有的兩種中繼選擇算法,利用通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)(信噪比、中斷概率、信道容量)展開(kāi)分析。仿真結(jié)果表明,所提出最小中斷概率中繼選擇算法可明顯降低系統(tǒng)中斷概率,在提升系統(tǒng)總速率的性能與最大化容量中繼算法接近,有效地改善了系統(tǒng)性能。

關(guān)鍵詞雙向AF中繼系統(tǒng);中繼選擇算法;信噪比;最小中斷概率MOP

Analysis of Relay Selection Algorithm in Two-way Relay System

XU Pengfei,HAO Bin,GUO Mingxiao

(College of Electronic and Information Engineering,Lanzhou Jiaotong University,Lanzhou 730070,China)

AbstractIn order to enhance the total rate bidirectional AF (Amplify and forward) relay system and reduce system outage probability,this paper proposes a minimum outage probability relay algorithm MOP (minimum outage probability),and describes the existing two relay selection algorithms with an analysis of the performance indices (signal to noise ratio,outage probability,and channel capacity) of the communication system.The simulation results show that the proposed minimum outage probability relay selection algorithm can significantly reduce the system outage probability with the performance of improve total rate of the system close to that of the maximum capacity relay algorithm.

Keywordstwo-way AF relay system;relay selection algorithm;SNR;minimum outage probability

在無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中,協(xié)作中繼可使在特定區(qū)域內(nèi)僅有單根天線(xiàn)的中繼設(shè)備或移動(dòng)終端形成一種虛擬天線(xiàn)陣,獲得空間分集增益,這樣不僅提高網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量和吞吐量,而且強(qiáng)化了覆蓋范圍。單向(One-way)中繼協(xié)作系統(tǒng)在雙方信息交互過(guò)程中,由于其工作在半雙工模式,使得完成信息交換需要占用4個(gè)時(shí)隙,這樣便降低了頻譜效率。Rankov和Wittneben提出一種雙向(Two-way)協(xié)作策略,信息交換只占用兩個(gè)時(shí)隙來(lái)完成,并推導(dǎo)了在雙向協(xié)作模式下放大轉(zhuǎn)發(fā)AF(Amplify and Forward)和解碼轉(zhuǎn)發(fā)DF(Decode and For-ward)的容量值[1],而放大轉(zhuǎn)發(fā)AF是較早采用的一種協(xié)同傳輸模式,中繼不對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行解調(diào)或是解碼處理,而是將收到的信號(hào)直接放大處理后前傳,這種方式具有低復(fù)雜度和易實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)。據(jù)文獻(xiàn)[2]描述雙向中繼系統(tǒng)的系統(tǒng)容量約是單向協(xié)作系統(tǒng)的2倍?；谝陨峡紤],本文是在雙向AF中繼協(xié)作系統(tǒng)分析中繼選擇問(wèn)題。

協(xié)作通信中,功率分配和中繼選擇對(duì)系統(tǒng)性能均能起到至關(guān)重要的作用。文獻(xiàn)[3]提到一種兩端與中繼處最大化最小信噪比的最優(yōu)中繼選擇方式,但未考慮節(jié)點(diǎn)能量消耗,同時(shí)也不能保證兩端性能同時(shí)達(dá)到最優(yōu)。文獻(xiàn)[4~5]用信噪比的上限來(lái)代替信噪比進(jìn)行推導(dǎo),并利用文獻(xiàn)[3]的方法選出最優(yōu)中繼。文獻(xiàn)[6]提出了利用系統(tǒng)的信道容量或稱(chēng)為可達(dá)速率來(lái)判定最優(yōu)中繼選擇的問(wèn)題,信噪比利用瞬時(shí)的比較,選出系統(tǒng)可達(dá)速率最大的節(jié)點(diǎn)。

1雙向AF中繼系統(tǒng)模型

圖1　雙向AF中繼系統(tǒng)模型

中繼Ri在第一時(shí)隙接受的信號(hào)表達(dá)式為

(1)

其中,PA和PB為用戶(hù)A和B的發(fā)射功率值。

系統(tǒng)依據(jù)中繼算法選出性能較好的中繼Rk,在第二時(shí)隙中繼Rk對(duì)接受到的信息合并放大轉(zhuǎn)發(fā)直接發(fā)送到用戶(hù)A和B。A端和B端的接受信號(hào)表達(dá)式為

(2)

這里將式(1)代入到式(2)得到接受信號(hào)A和B的完整表達(dá)式

(3)

兩用戶(hù)端A和B已知各自初始階段的信號(hào),可以通過(guò)自干擾消除技術(shù),得到對(duì)方的信息。兩端的信噪比表達(dá)式為

(4)

2雙向AF中繼選擇算法

2.1最大化最小信噪比的中繼選擇算法

文獻(xiàn)[3]提出一種最大化最小信噪比的中繼選擇方式。信噪比在系統(tǒng)模型中已得到,此處假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中存在N個(gè)可選中繼,稱(chēng)用戶(hù)A和B到中繼的兩段鏈路為一條鏈路,中繼與兩端的信噪比為ΓAk和ΓBk。文中在N條鏈路中先比較兩段中較小的信噪比。

(5)

然后取出N條最小信噪比鏈路中信噪比最大的一項(xiàng),稱(chēng)其為最優(yōu)中繼Rb。

(6)

2.2最大化瞬時(shí)信道容量的中繼選擇算法

文獻(xiàn)[6]提出了一種基于信道容量最大化的中繼算法。網(wǎng)絡(luò)中用戶(hù)A和B均通過(guò)N個(gè)可選中繼來(lái)廣播信息,通過(guò)用戶(hù)A和B接受到的信噪比ΓAk和ΓBk可求出通信系統(tǒng)單向的信道容量,定義雙向AF中繼系統(tǒng)單條鏈路的信道容量為

(7)

在N條中繼鏈路中選擇使系統(tǒng)瞬時(shí)容量最大的中繼作為最優(yōu)中繼Rb。

(8)

2.3最小化中斷概率的中繼選擇算法

系統(tǒng)中斷的定義是中繼系統(tǒng)的瞬時(shí)信道容量不能達(dá)到預(yù)先設(shè)定的門(mén)限值。假設(shè)用戶(hù)A的中斷概率為Ω1,用戶(hù)B的中斷概率為Ω2,設(shè)定雙向AF系統(tǒng)的速率門(mén)限值是v。用戶(hù)A和B通過(guò)某一中繼Rk完成信息互動(dòng),若有一條鏈路發(fā)生中斷,系統(tǒng)中斷便發(fā)生。故系統(tǒng)中斷概率為

Pout=1-(1-Ω1)(1-Ω2)

(9)

用戶(hù)A和B發(fā)生中斷的概率分別為

(10)

對(duì)用戶(hù)A定義3個(gè)隨機(jī)變量

(11)

瑞利衰落信道下χ1和χ2服從參數(shù)為λ1和λ2的指數(shù)分布。

(12)

用χ1和χ2變量替換式(4)得到ΓAk的新表達(dá)式為

(13)

(14)

其中,K1(·)為第二類(lèi)一階貝塞爾函數(shù)。利用該函數(shù)的性質(zhì),在高信噪比為λ1時(shí),λ2→0,簡(jiǎn)化X累積分布函數(shù)為

FX(x)=1-e-(λ1+λ2)x≈(λ1+λ2)x

(15)

用戶(hù)B→用戶(hù)A的中斷概率為

(16)

同理,用戶(hù)A→用戶(hù)B的中斷概率為

(17)

將式(16)和式(17)代入到式(9),可得到中斷概率最小的中繼鏈路Rb

(18)

3仿真結(jié)果與數(shù)值分析

圖2　不同中繼選擇算法與中斷概率的關(guān)系

從圖2中可看出中繼選擇算法對(duì)中斷概率的影響,采用中繼選擇可有效地降低雙向AF中繼系統(tǒng)的系統(tǒng)概率,約在總功率P=20 W時(shí),這4種情況的中斷概率差別較小。但隨著信噪比和總功率值的增加,中繼算法明顯改善系統(tǒng)的中斷概率性能,在總功率P=40 W時(shí),采用最小中斷概率(MOP)算法比無(wú)中繼選擇低了約1個(gè)數(shù)量級(jí)。另外,最小中斷概率算法比其他2種算法相比性能也有一定的改進(jìn)。

圖3　不同中繼算法與系統(tǒng)總速率的關(guān)系

從圖3中可以看出,采用不同中繼選擇算法對(duì)雙向AF系統(tǒng)總速率會(huì)產(chǎn)生不同的影響。圖中的隨機(jī)中繼選擇算法指的是系統(tǒng)隨機(jī)選擇一個(gè)中繼參與協(xié)作傳輸信息。隨機(jī)中繼相對(duì)于其他3種算法,性能較差。在總功率P=40 W時(shí),最大化容量算法和最小中斷概率算法比隨機(jī)中繼算法的速率值提升了約2.2 bit·s-1/Hz。最大化容量中繼算法和最小中斷概率中繼算法對(duì)總速率的性能影響比較接近,優(yōu)于最大化最小信噪比算法和隨機(jī)中繼選擇算法。

4結(jié)束語(yǔ)

分析研究了雙向AF中繼系統(tǒng)的中繼選擇算法,對(duì)于采用不同的中繼選擇方式會(huì)對(duì)系統(tǒng)的總速率和中斷概率等性能產(chǎn)生一定的影響。理論分析和仿真結(jié)果表明,文中所提的最小中斷概率的中繼選擇算法(Minimum Outage Probability,MOP)可以在提升系統(tǒng)總速率的同時(shí),又較好地降低了系統(tǒng)的中斷概率,是一種較優(yōu)的中繼選擇方式。

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中圖分類(lèi)號(hào)TN925

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)1007-7820(2016)03-058-03

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.03.014

作者簡(jiǎn)介:徐鵬飛(1987—),男,碩士研究生。研究方向:協(xié)作通信。

收稿日期:2015- 08- 31